DE69118170T2 - Verfahren zur herstellung einer kurbelwelle - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer kurbelwelleInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Kurbelwelle, bei welcher ein Wellenzapfenabschnitt mit einer harten Nitrierschicht versehen ist, damit sie außerordentliche verbesserte Eigenschaften, wie z.P. Haltbarkeit, aufweist, und die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der Kurbelwelle.
- Im allgemeinen ist eine Kurbelwelle für einen Motor, wie sie in Figur 4 dargestellt ist, an ihren Wellenzapfen 22a in Lagern 23, die im Kurbelgehause 21 des Motors 20 vorgesehen sind, drehbar gelagert und Kurbelzapfen 22b sind mit den Pneuels 24 in einer frei drehbaren Weise verbunden, so daß eine auf die Kurbelwelle 22 ausgeübte Kraft dazu führt, daß die Kurbelwelle 22 um die Lager 23 gebogen wird, wenn ein Kolben 26 infolge der Explosion in der Verbrennungskammer 25 abwärts bewegt wird. Deshalb müssen die Wellenzapfenabschnitte 22a in Verbindung mit Lagermetallen 27 an den Lagern 23 eine hohe Haltbarkeit aufweisen. Rus diesem Grund werden spezielle Sorten von Stahlmaterial, die eine hohe Haltbarkeit haben, für die Kurbelwelle 22 ausgewählt, um die Haltbarkeit an ihren Wellenzapfenabschnitten 22a zu verbessern. Dies führt jedoch zu solchen Problemen wie Erhöhung der Materialkosten und des Gewichts.
- Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um diese Probleme zu beseitigen. Es ist eine Rufgabe der Erfindung, die Haltbarkeit der Wellenzapfenabschnitte der Kurbelwelle zu verbessern, ohne Erhöhung der Materialkosten und des Gewichtes.
- Die ältere europäische Patentanmeldung Nr. 0 408 168, welche am Anmeldetag dieser Anmeldung noch nicht veröffentlicht war, offenbart ein Verfahren zur Herstellung zur Nitrierung von Wellen, mit vor der Nitrierung vorgeschaltetem Fluorierungsschritt.
- Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle vor, wobei ein Kurbelzapfenabschnitt der Kurbelwelle in einer fluor- oder fluoridhaltigen Gasatmosphäre unter erhitzter Bedingung gehslten wird, um eine Fluorid-Schicht an der Oberfläche des Wellenzapfens zu bilden, und danach ferner in einer Nitrieratmosphäre unter erhitzter Bedingung gehalten wird, um eine harte Nitrierschicht an der Oberfläche des Wellenzapfens zu bilden.
- Genauer gesagt ist die Kurbelwelle, die durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildet wird, an der Oberflächenschicht des Wellenzapfenabschnittes mit einer harten Nitrierschicht versehen, aber sie verwendet kein hartes Material für die gesamte Kurbelwelle, wodurch die Bereitstellung der Kurbelwelle ermöglicht wird, die mit geringen Kosten herstellbar ist, nicht so schwer ist und außerordentlich haltbar ist. Weiterhin wird bei dem Herstellungsverfahren der Kurbelwelle nach vorliegender Erfindung der Wellenzapfenabschnitt der Welle zunächst in einer fluor- oder fluoridhaltigen Gasatmosphäre unter erhitzten Bedingungen gehalten, um eine Fluoridschicht auf der Oberfläche des Wellenzapfens zu bilden und sie wird weiterhin in einer Nitrieratmosphäre unter erhitzter Bedingung gehalten, um die gebildete Fluoridschicht von dem Wellenzapfenabschnitt zu entfernen und gleichzeitig eine harte Nitrierschicht an dem Teil, von dem die Fluoridschicht entfernt wurde, zu bilden (auf der Oberflächenschicht des Wellenzapfenabschnittes). Bei der Durchführung des Verfahrens wird die Bildung einer Fluoridschicht an der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes vor der Nitrierung durchgeführt, um die Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes zu reinigen und gleichzeitig zu aktivieren, so daß die Nitrierschicht gleichmäßig und ziemlich tief an der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes gebildet werden kann, wodurch die harte Nitrierschicht gleichmäßig und in ihrer Stärke dick sein kann.
- Als nächstes werden Einzelheiten der vorliegenden Erfindung nachstehend erläutert.
- Das fluor- oder fluoridhaltige Gas, welches für den Fluorierungsprozeß bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist ein inaktives Gas, wie z.B. N&sub2; welches wenigstens eine der Fluorquellenverbindungen, wie z.B. NF&sub3;, BF&sub3;, CF&sub4;, HF, SF&sub6; und F&sub2; enthält. NF&sub3; ist am vorteilhaftesten und brauchbar für diesen Zweck im Hinblick auf seine Reaktionsfähigkeit, Handhabungseigenschaften und dgl..
- Bei der Nitrierbehandlung in dem Herstellungsverfahren nach vorliegender Erfindung wird der Wellenzapfenabschnitt der Kurbelwelle (die aus Stahl, wie z.B. rostfreiem Stahl hergestellt ist und mit dem übrigen Abschnitt, der außer dem Wellenzapfenabschnitt durch einen Überzug eines bekannten Anti-Härtungs-Mittels abgedeckt ist), wie vor erwähnt, in einer fluor- oder fluoridhaltigen Gasatmosphäre unter erhitzter Bedingung bei 250 bis 400ºC gehalten, wenn z.B. NF&sub3; verwendet wird, um eine Fluoridschicht auf der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes zu bilden, gefolgt von einer Nitrierung (oder Karbonitrierung) unter Verwendung eines bekannten Nitriergases, wie z.B. Ammoniak. Die Konzentration der Fluorquellenverbindung, wie z.B. NF&sub3; im Fluorquellengas, ist z.B. 1000 bis 100000 ppm, vorzugsweise 20000 bis 70000 ppm, und noch besser 30000 bis 50000 ppm. Die Haltezeit in dem fluor- oder fluoridhaltigen Gas kann wahlweise festgesetzt werden entsprechend den Arten des Stahlmaterials, Formen und Größen der Kurbelwelle, den Erhitzungstemperaturen und dgl., und sie ist generell einige Minuten oder eine große Anzahl von Minuten.
- Das Herstellungverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun näher beschrieben. Ein Wellenzapfenabschnitt 22a einer in Figur 4 gezeigten Kurbelwelle, die aus Stahl besteht und an anderen Stellen außer dem Wellenzapfenabschnitt abgedeckt ist, kann gereinigt werden, um sie zu entfetten, und wird in einen Wärmebehandlungsofen 1 gebracht, wie es in Figur 1 dargestellt ist. Der Wärmebehandlungsofen 1 ist ein Tiefofen, der ein äußeres Gehäuse 2, einen darin angeordneten Erhitzer 3 und einen inneren Behälter 4 aufweist, der in dem Erhitzer 3 angeordnet ist. Eine Gasleitung 5 und ein Ruslaßrohr 5 sind in den Tiefofen eingesetzt. Von den Zylindern 15, 16 wird Gas über einen Mengenmesser 17, ein Ventil 18 oder dgl. zu der Gasleitung 5 geliefert. Die Atmosphäre im Tiefofen wird durch Ventilator 8 bewegt, der durch einen Motor 7 angetrieben wird. Die Kurbelwelle 22 ist in einem metallischen Behälter 11 gehalten, um in den Ofen eingebracht zu werden. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 13 eine Vakuumpumpe und 14 einen Schadstoffabscheider. Ein fluor- oder fluoridhaltiges Gas, z.B. ein Mischgas von NF&sub3; und N&sub2; wird in den Ofen eingeleitet und auf eine vorbestimmte Reaktionstemperatur erhitzt. Bei 250 bis 400ºC erzeugt NF&sub3; aktives Fluor, so daß organische und anorganische Verunreinigungen an den Oberflächen des Wellenzapfenabschnittes 22a entfernt werden und gleichzeitig reagiert das erzeugte Fluor mit Fe, Chromsubstraten oder Oxiden, wie z.B. FeO, Fe&sub3;O&sub2; und Cr&sub2;O&sub3; an der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes, wie es in der folgenden Formel dargestellt ist, wodurch an der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes 22a eine sehr dünne Fluoridschicht gebildet wird, die Verbindungen wie FeF&sub2;, FeF&sub3;, OrF&sub2; und CrF&sub4; enthält.
- FeO + 2F T FeF&sub2; + 1/2O&sub2;
- Cr&sub2;O&sub3; + 4F T 2CrF&sub2; + 3/2O&sub2;
- Die Reaktion wandelt eine Oxidschicht an den Oberflächen des Wellenzapfenabschnittes 22a in eine Fluoridschicht um und entfernt O&sub2;, der in der gleichen Oberfläche adsorbiert ist. Die Fluoridschicht ist bei Temperaturen unter 600ºC stabil, wenn dort weder O&sub2;, H&sub2; noch H&sub2;O existiert, um so die Bildung jeglicher Oxidschicht und die Adsorption von O&sub2; an und durch die metallischen Substrate zu verhindern. Gemäß dem Fluorierungsverfahren wird auch die fluorierte Schicht an der Oberfläche des Ofenmaterials in einer Anfangsphase gebildet, so daß die Fluoridschicht danach mögliche Beschädigung infolge der Anwendung von fluor- oder fluoridhaltigem Gas verhindert. Der gehörig mit fluor- oder fluoridhaltigem Gas behandelte Wellenzapfenabschnitt 22a wird weiterhin auf eine Nietriertemperatur von 480 bis 700ºC erhitzt und in diesem Zustand mit NH&sub3;-Gas oder einem Mischgas aus NH&sub3; und einem Gas enthaltend Kohlenstoffquellen (wie z.B. RX-GAS) behandelt, wodurch die vorgenannte Fluoridschicht durch H&sub2; oder Spurenmengen von Wasser reduziert oder zerstört wird, wie es durch die folgende Formel dargestellt ist, wodurch die aktiven Metallsubstrate gebildet und freigelegt werden.
- CrF&sub4; + 2H&sub2; T Cr + 4HF
- 2FeF&sub3; + 3H&sub2; T 2 Fe+ 6HF
- Gleichzeitig mit der Bildung von aktivierten Metallsubstraten treten N-Atome in das Metall ein und verteilen sich darin, was dazu führt, daß eine solide Verbindungsschicht (Nitrierschicht) auf den Oberflächen des metallischen Substrates gebildet wird, enthaltend Nitride wie CrN, Fe&sub2;N, Fe&sub3;N und Fe&sub4;N. Dann wird die vorhergehende Abdeckung der rotierenden Welle 22 gehörig entfernt.
- Das übliche Nitrierverfahren bildet Nitrierschichten, die mit den zuvor beschriebenen ähnlich sind, aber es hat eine geringere Aktivität an den Substratoberflächen aufgrund einer oxidierten Schicht&sub1; die während der Anhebung der Temperaturen von normalen Raumtemperaturen zu Nitrierungstemperaturen oder gleichzeitig adsorbiertem O&sub2; gebildet sind, so daß der Grad der Adsorbierung von N-Atomen an den Substratoberflächen gering und nicht gleichmäßig ist. Die Ungleichmäßigkeit wird auch noch durch die Tatsache vergrößert, daß es praktisch schwierig ist, den Grad der Zersetzung von NH&sub3; im Ofen gleichmäßig zu halten. Gemäß dem Herstellungsverfahren nach vorliegender Erfindung wird die Adsorption von N-Atomen an der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes 22a gleichmäßig und schnell durchgeführt, um hierbei vorgenanntes Problem auszuschließen, während eine solide Nitridschicht gebildet wird.
- Die resultierende Kurbelwelle 22, bei welcher die Oberflächenschicht ihres Wellenzapfenabschnittes 22a eine harte Nitrierschicht A enthält, wie es in Figur 2 gezeigt ist, ist dadurch hervorragend in der Haltbarkeit.
- Ein Motor, wie er in Figur 3 gezeigt ist, ist im wesentlichen identisch mit dem von Figur 4, mit der Ausnahme, daß er Kugellager 31 als Lager für die Kurbelwelle 22 verwendet. In diesem Fall werden die Kugellager (insbesondere die rollenden Teile, wie die Kugeln und die Kugellagerringe) zusammen mit dem Wellenzapfen 23 von der Kurbelwelle 22 durch das Nitrierverfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung nitriert, wodurch die Kugellager 31 selbst in ihrem Reibungswiderstand reduziert und weiterhin fest auf die Wellenzapfenabschnitte 22a aufmontiert werden.
- Der Nitrierprozeß gemäß dem Herstellungsverfahren nach vorliegender Erfindung kann auch für die ganze Kurbelwelle 22 durchgeführt werden, nicht bloß für den Wellenzapfen, wie in obigem Beispiel Bezug genommen.
- Obwohl im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel Stahl für die Kurbelwelle verwendet wird, können metallische Materialien außer Stahl, wie z.B. Aluminium und Titan, für die Kurbelwelle verwendet werden und die gleichen Effekte wie oben erreicht werden.
- Wie man aus dem Vorstehenden entnehmen kann, ist die durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Kurbelwelle an der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes mit einer harten Nitrierschicht versehen, aber es wird kein hartes Material für die gesamte Kurbelwelle verwendet, so daß es möglich ist, die Kurbelwelle zu liefern, die mit geringen Kosten zu erhalten ist, nicht so schwer ist und hervorragend in der Haltbarkeit ist. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kurbelwelle kann mit ihrer soliden Nitrierschicht den Gleitwiderstand auf etwa ein Drittel verringern, wodurch es möglich ist, Kühlmittel oder dergleichen einzusparen. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird weiterhin, wie oben erwähnt, die Fluorierung vor dem Nitrierprozeß durchgeführt, um die passive Überzugschicht, wie z.B. eine Oxidschicht, an der Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes in eine Fluoridschicht umzuwandeln, welche diese Oberfläche schützt. Selbst wenn deshalb ein Zeitraum zwischen der Bildung der Fluoridschicht am Wellenzapfenabschnitt und dem Nitrierprozeß liegt, schützt das Fluorid die Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes und hält sie in einem vorteilhaften Zustand, mit dem Ergebnis, daß eine Wiederbildung einer Oxidschicht an dieser Oberfläche verhindert wird. Die Fluoridschicht wird im darauffolgenden Nitrierprozeß zerstört und entfernt, damit die Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes freigelegt wird. Da die freigelegte Metalloberfläche aktiviert ist, verteilen sich N-Atome in dem Nitrierprozeß leicht, tief und gleichmäßig in dem Wellenzapfenabschnitt, wodurch die Oberflächenschicht des Wellenzapfenabschnittes in eine dicke und gleichmäßige harte Nitrierschicht ausgebildet wird.
- Figur 1 ist ein schematischer Querschnitt, der einen Wärmebehandlungsofen, wie er beim Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, zeigt,
- Figur 2 ist ein Querschnitt, der die Beschaffenheit einer auf dem Wellenzapfenabschnitt einer Kurbelwelle gebildeten Nitrierschicht zeigt,
- Figur 3 und 4 sind Querschnitte, die die wesentlichen Teile von Motoren zeigen, die mit den jeweiligen Kurbelwellen ausgerüstet sind.
- Als nächstes wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben.
- Die Wellenzapfenabschnitte und Kurbelzapfen einer Kurbelwelle (300 x ∅ 25 mm) aus SUS316 rostfreiem Stahl wurden mit Trichlorethane gewaschen. Die gewaschene Welle wurde an ihren Abschnitten außer denen der Wellenzapfenabschnitte und der Kurbelzapfen abgedeckt und dann in einen Wärmebehandlungsofen 1, wie er in Figur 1 dargestellt ist, gebracht, um in einer N&sub2;-Gasatmosphäre, enthaltend 5000 ppm NF&sub3;, während 15 Minuten bei 300ºC gehalten zu werden, gefolgt von einer Erhitzung auf 530ºC 35 und der Einleitung eines Mischgases von 50% NH&sub3; + 50% N&sub2; in den Wärmebehandlungsofen 1, um die Nitrierung der Welle während 3 Stunden durchzuführen.
- Die Welle wurde dann luftgekühlt und aus dem Ofen herausgenommen. Die Dicken der Nitrierschicht des Wellenzapfenabschnittes und der Kurbelzapfen der Kurbelwelle waren 10 bis 70 µm und die Oberflächenhärten der Nitrierschicht waren 1000 bis 1350 Hv und die Härte war wesentlich höher als die, die durch das konventionelle Nitrierverfahren erhalten wurde.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung einer Kurbelwelle, umfassend
Halten eines Wellenzapfenabschnittes in einer
fluor- oder fluoridhaltigen Gasatmosphäre unter erhitzter
Bedingung, um eine Fluorid-Schicht an der Oberfläche
des Wellenzapfenabschnittes zu bilden, und danach
weiteres Halten in einer Nitrieratmosphäre unter erhitzter
Bedingung, um eine harte Nitrierschicht in der
Oberfläche des Wellenzapfenabschnittes zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der
Wellenzapfenabschnitt der Kurbelwelle in einer fluor- oder
fluoridhaltigen Gasatmosphäre gehalten wird, die 20.000 bis
70.000 ppm fluor- oder fluoridhaltiges Gas enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der
Wellenzapfenabschnitt der Kurbelwelle in einer fluor- oder
fluoridhaltigen Gasatmosphäre während einiger Minuten
bis zu einer großen Anzahl von Minuten gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der
Wellenzapfenabschnitt der Kurbelwelle in einer fluor- oder
fluoridhaltigen Gasatmosphäre unter erhitzten Bedingungen
während etwa 15 Minuten gehalten wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines Lagers für eine
Kurbelwelle, umfassend Halten von Kugellagern in einer
fluor- oder fluoridhaltigen Gasatmosphäre unter erhitzten
Bedingungen, um eine Fluorid-Schicht an der
Oberfläche der Kugellager zu bilden und danach weiteres
Halten in einer Nitrieratmosphäre unter erhitzten
Bedingungen um eine harte Nitrierschicht in der
Oberfläche der Kugellager zu bilden.
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